微电子学概论Cha

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1、微电子学概论Cha1微电子学概论Cha微电子学概论微电子学概论Stationary Magnetic Field微电子学概论Cha 磁铁和电流周围存在着磁场，磁现象的本磁铁和电流周围存在着磁场，磁现象的本质就是电荷的运动质就是电荷的运动,磁场的基本特性是对位于磁场的基本特性是对位于其中的运动电荷有力的作用其中的运动电荷有力的作用.主要内容主要内容1、磁感应强度的定义、磁感应强度的定义;2、毕奥、毕奥-萨伐尔定律，安培环路定理萨伐尔定律，安培环路定理;3、几种电流产生的磁感应强度的计算、几种电流产生的磁感应强度的计算;4、磁场对运动电荷、载流导线和线圈的作用。、磁场对运动电荷、载流导线和线圈的作

2、用。微电子学概论Cha永磁体永磁体磁铁的性质磁铁的性质SN永磁体具有磁性永磁体具有磁性(magnetism)，能吸引铁、钴、镍等物质；能吸引铁、钴、镍等物质；永磁体具有磁极永磁体具有磁极(magnetic pole)，分磁北极，分磁北极 N 和磁南极和磁南极 S；磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸；磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸；磁极不能单独存在磁极不能单独存在.微电子学概论Cha在载流导线附近的在载流导线附近的小磁针会发生偏转小磁针会发生偏转Hans Christian Oersted,17771851年年丹麦物理学家丹麦物理学家微电子学概论ChaSN放在磁体附近的载流放在磁

3、体附近的载流导线或线圈会受到力导线或线圈会受到力的作用而发生运动的作用而发生运动.一切磁现象的根源是电流一切磁现象的根源是电流!磁性物质的分子中存在着磁性物质的分子中存在着“分子电流分子电流”，磁性取决于物质中分子电流的磁效应之，磁性取决于物质中分子电流的磁效应之和和.微电子学概论Cha大量事实表明，不仅电流与磁铁、电流与电流之间有大量事实表明，不仅电流与磁铁、电流与电流之间有相互作用，而且运动电荷与运动电荷、运动电荷与磁相互作用，而且运动电荷与运动电荷、运动电荷与磁铁之间也存在相互作用铁之间也存在相互作用,这些相互作用是通过一种特这些相互作用是通过一种特殊物质的形式殊物质的形式磁场来传递的磁

4、场来传递的.磁铁周围存在磁场，运动电荷和载流导线周围磁铁周围存在磁场，运动电荷和载流导线周围也存在磁场也存在磁场.磁场对其中的运动电荷和载流导线有力的作用磁场对其中的运动电荷和载流导线有力的作用.磁力也能作功，具有能量磁力也能作功，具有能量.微电子学概论Cha-S+电子束电子束N微电子学概论Cha9 微电子学概论Cha10参考书参考书q微电子学概论微电子学概论q张兴张兴/黄如黄如/刘晓彦刘晓彦q北京大学出版社北京大学出版社微电子学概论Cha11本课程的目的本课程的目的微电子学概论Cha12主主 要要 内内 容容微电子学概论Cha授课、成绩评定方法授课、成绩评定方法q 课堂讲授为主课堂讲授为主q

5、 成绩评定方法成绩评定方法 期末考试占期末考试占60%平时作业占平时作业占40%q 授课教师授课教师:xxx:xxx微电子学概论Chaq 学习方法学习方法注重理解，灵活掌握注重理解，灵活掌握掌握每堂课的重要知识点掌握每堂课的重要知识点加强分析问题、解决问题能力加强分析问题、解决问题能力微电子学概论Cha15第一章第一章绪绪 论论微电子学概论Cha16绪绪 论论微电子学概论Cha 信息：客观事物状态和运动特征的一信息：客观事物状态和运动特征的一种普遍表现形式种普遍表现形式 微电子学概论Chaq 电子学电子学(electronics)(electronics)：研究信息：研究信息获取、处理、传输、

6、存储、控制的获取、处理、传输、存储、控制的学科学科q 包括电子电路及系统包括电子电路及系统如何实现电路的功能、性能；如何实如何实现电路的功能、性能；如何实现系统功能、性能现系统功能、性能 微电子学概论Cha19电电子子学学微电子学微电子学微电子学概论Cha20q微电子学：微电子学：Microelectronics微电子学微电子学微型电子学微型电子学核心核心集成电路集成电路微电子学概论Cha分立电路：分立电路：将晶体管、二极管等有源将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件在电路板上器件和电阻、电容等无源元件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能连接起来，实现一定的电路功能不依靠外加电源可

7、独立不依靠外加电源可独立表现其外特性的元件表现其外特性的元件微电子学概论Chaq集成电路：集成电路：Integrated Circuit(Integrated Circuit(IC)IC)将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件，按照一定的电路互连，源元件，按照一定的电路互连，“集成集成”在一块半在一块半导体单晶片导体单晶片(如硅或砷化镓如硅或砷化镓)上上 通过一系列特定的加工工艺来集成通过一系列特定的加工工艺来集成封装在一个外壳内封装在一个外壳内执行特定电路功能执行特定电路功能微电子学概论Cha集成电路集成电路微电子学概论Chaq微电子学微电

8、子学研究在固体（主要是半导体）材料研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化器件、电路及系上构成的微小型化器件、电路及系统的电子学分支学科统的电子学分支学科脱胎于电子学和固体物理学的边缘脱胎于电子学和固体物理学的边缘性的技术学科性的技术学科微电子学概论Chaq 与分立电路相比，集成电路的特点与分立电路相比，集成电路的特点尺寸小尺寸小集成度高集成度高批量生产、成本低批量生产、成本低 可靠性高可靠性高 微电子学概论Cha集成电路集成电路(集成电路块集成电路块)芯片：芯片：chip，die芯片的尺寸很小芯片的尺寸很小集成度：一定尺寸的芯集成度：一定尺寸的芯片上集成的元器件数目片上集成的元器件数目

9、（或者门的数目）（或者门的数目）内部电路内部电路微电子学概论Cha硅单晶片与加工好的硅片硅单晶片与加工好的硅片硅片：硅片：wafer芯片：芯片：chip，die微电子学概论Cha集成电路芯片的显微照片集成电路芯片的显微照片微电子学概论Cha29Vsspoly 栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+微电子学概论Cha3064M SDRAM（华虹（华虹NEC生产）生产）芯片面积芯片面积5.899.7=57mm2，456pcs/w，1个个IC中含有亿只晶体管中含有亿只晶体管微电子学概论Cha31 50 m100 m头发丝粗细头发丝粗细 30 m1 m 1 m(晶体管的大小晶体管的大小)3050 m(皮

10、肤细胞的大小皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较微电子学概论Cha32封装好的集成电路封装好的集成电路微电子学概论Cha33集成电路的内部电路集成电路的内部电路VddABOut微电子学概论Cha34q集成电路设计与制造的主要流程框架集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制造芯片制造过程过程封装封装测试测试系统需求系统需求微电子学概论Cha35 集成电路集成电路的设计过程：的设计过程：设计创意设计创意 +仿真验证仿真验证

11、集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off设计业设计业微电子学概论Cha制造业制造业芯片制造过程芯片制造过程AA微电子学概论Cha微电子学概论Cha75 mm,100 mm,50 mmPast300 mm(12)(3,4,2)NowPast微电子学概论Cha制造业制造业芯片制造过程芯片制造过程AA由氧化、淀积、离子注入或蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层发形成新的薄

12、膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次微电子学概论ChaIn the futureMaybe no person is necessary!微电子学概论Cha41制造业制造业芯片制造过程芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次AA微电子学概论Cha42封装好的集成电路封装好的集成电路封装与测试业封装与测试业微电子学概论Cha43微电子科学技微电子科学技术的战略地位术的战略地位微电子学概论Ch

13、a44q自然界和人类社会的一切活动都在自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。社会、经济活动的重要资源。q社会的各个部分通过网络系统连接社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。和数字化。微电子：信息社会发展的基石微电子：信息社会发展的基石微电子学概论Cha45q实现社会信息化的网络及

14、其关键部实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和件不管是各种计算机和/或通讯机，或通讯机，它们的基础都是它们的基础都是微电子微电子1946年第一台计算机：年第一台计算机：ENIAC微电子学概论Cha46第一台通用电第一台通用电子计算机：子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年年2月月14日日Moore School，Univ.of Pennsylvania18,000个电子个电子管组成管组成大小：长大小：长24m，宽，宽6m，高，高速度：速度：5000次次/sec；重量：；重量：30吨；吨；功率：功率

15、：140KW；平均无故障运行时间：；平均无故障运行时间：7min微电子学概论Cha47q实现社会信息化的网络及其关键部实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和件不管是各种计算机和/或通讯机，或通讯机，它们的基础都是它们的基础都是微电子微电子1946年第一台计算机：年第一台计算机：ENIAC这样的计算机能够进入办公室、车间这样的计算机能够进入办公室、车间和家庭？当时有的科学家认为全世界和家庭？当时有的科学家认为全世界只要只要4台台ENIAC目前，全世界计算机不包括微机在内目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约有几百万台，微机总量约6亿台，每年亿台，每年由计算机完成的工作

16、量超过由计算机完成的工作量超过4000亿人亿人年工作量年工作量微电子学概论Cha48 微电子学概论Cha49集成电路的作用集成电路的作用q小型化小型化q价格急剧下降价格急剧下降q功耗降低功耗降低q故障率降低故障率降低微电子学概论Cha50信息技术的领域信息技术的领域信息安全信息安全信息管理信息管理基础：基础：软件、软件、微（纳）电子与光电子微（纳）电子与光电子关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信核心和基础：核心和基础：微电子微电子微电子学概论Cha51 在信息经济时代，产品，以其在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能

17、力信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位决定着在国际经济分工中的地位微电子学概论Cha52如果我们不发展集成电路产业如果我们不发展集成电路产业qITIT行业停留在装配业水平上，挣的行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱辛苦钱”。q在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。q所以有人戏称说：所以有人戏称说：“你们说中关村是硅谷，但是一你们说中关村是硅谷，但是一个无个无“芯芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的

18、有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。发展命脉掌握在他人手中。q当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。为衡量一个国家综合实力的重要标志。微电子学概论Cha53q电子装备更新换代都基于微电子技术的电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于）的程度都依赖于集成电路芯片的集成电路芯片的“智慧智慧”程度和使用程度程度和使用程度 数控机床数控机床普通机床普通机床数字化技术改造数字化技术改造价格相差价格相差10倍倍集成集成电路电路整机系统整机系统高

19、附加值高附加值在成长期进入在成长期进入市场，增强市市场，增强市场竞争力场竞争力微电子对传统产业的渗透与带动作用微电子对传统产业的渗透与带动作用微电子学概论Cha54微电子对国家安全与国防建设的作用微电子对国家安全与国防建设的作用q武器装备水平与社会生产力、经武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系济基础有密切关系在农业社会：大刀长矛等冷兵器；在农业社会：大刀长矛等冷兵器；在工业化社会：枪、炮等热兵器在工业化社会：枪、炮等热兵器信息化社会：信息化社会：IC成为武器的一个成为武器的一个组成元，电子战、信息战组成元，电子战、信息战微电子学概论Cha55微电子对信息社会的重要性微电子对信息社会的重

20、要性qINTERNET基础设施基础设施各种各样的网络：电缆、光纤各种各样的网络：电缆、光纤(光电子光电子)、无线、无线.路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关关.终端设备：终端设备：PC、NetPC、WebTV.网络基础软件：网络基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE.qINTERNET服务服务信息服务信息服务:极其大量的各种信息极其大量的各种信息交易服务交易服务:高可靠、高保密高可靠、高保密.计算服务计算服务:“网络就是计算机网络就是计算机!”,“计算机成了网络计算机成了网络的外部设备的外部设备!”微电子学概论Cha56市场市场 销售

21、额销售额（10 亿美元）亿美元）市场市场 销售额销售额（10 亿美元）亿美元）手提数据通讯手提数据通讯*630 超薄显示器超薄显示器*170 个人电脑个人电脑*470 IC 卡卡*165 移动电话服务移动电话服务*380 地面微波广播地面微波广播*160 CPU*300 DNA 生物芯片生物芯片 160 数据存储产品数据存储产品*270 多用途通讯设备多用途通讯设备*155 磁存储磁存储*250 半导体设备半导体设备*150 电子商务电子商务*250 电力交通工具电力交通工具 150 网络信息服务网络信息服务*230 墙壁式超薄电视墙壁式超薄电视*145 高密度磁存储高密度磁存储*230 移动

22、电话移动电话*140 系统集成芯片系统集成芯片*210 直接引入直接引入工具工具 140 家庭医疗设备家庭医疗设备*210 ITS 设备设备 140 互联网互联网*200 DNA 加工食品加工食品 135 有线电视有线电视*200 液晶显示器液晶显示器*120 智能传输系统智能传输系统 190 仿制品仿制品 115 代理软件代理软件*180 燃油汽车燃油汽车 110 2020年世界最大的年世界最大的30个市场领域：其中与个市场领域：其中与微电子相关的微电子相关的22个市场：个市场：5万亿美元（万亿美元（Nikkei Business 1999）微电子产业的战略重要性微电子产业的战略重要性微电子

23、学概论Cha57微电子科学技术的微电子科学技术的发展历史发展历史微电子学概论Cha581947年年12月月23日日第一个晶体管第一个晶体管NPN Ge晶体管晶体管 W.Schokley J.Bardeen W.Brattain微电子学概论Cha591958年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，Ge晶片晶片微电子学概论Cha1959年年7月第一块平面单片集成电路：月第一块平面单片集成电路：Fairchild公司的公司的Noyce在在Si 衬底制备了平面集成电路：氧化物隔离，衬底制备了平面集成电路：氧化物隔离，Al互联互联Robert N.Noyce微电子学概论Cha61

24、微电子发展史上的几个里程碑微电子发展史上的几个里程碑q1962年年WanlassCMOS技术现在集成电技术现在集成电路产业中占路产业中占95%以上以上q1967年年Kahng、S.Sze 非挥发存储器非挥发存储器q1968年年Dennard单晶体管单晶体管DRAMq1971年年Intel公司微处理器公司微处理器计算机的心脏计算机的心脏目前全世界微机总量超过目前全世界微机总量超过6亿台亿台美国每年由计算机完成的工作量超过美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量亿人年工作量美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件是软件是21世

25、纪改变人类社会和经济的三大技术创新世纪改变人类社会和经济的三大技术创新微电子学概论Cha62第一个第一个CPU：4004微电子学概论Cha63q不断提高产品的性能价格比不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力是微电子技术发展的动力q集成电路芯片的集成度每三集成电路芯片的集成度每三年提高年提高4倍，而加工特征尺倍，而加工特征尺寸缩小寸缩小 倍，这就是倍，这就是摩尔摩尔定律定律2微电子发展的规律微电子发展的规律微电子学概论Cha64微电子学概论Cha65 基于市场竞争，不基于市场竞争，不断提高产品的性能价格断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动动力。

26、在新技术的推动下，集成电路自发明以下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸倍，而加工特征尺寸缩小缩小 倍。这就是由倍。这就是由Intel公司创始人之一公司创始人之一Gordon E.Moore博士博士1965年总结的规律，被年总结的规律，被称为摩尔定律。称为摩尔定律。2 2 2 22微电子技术发展的微电子技术发展的ROADMAP SSI M SI LSI VLSI ULSI GSI 元元 件件 数数 109 门门 数数 108 微电子学概论Cha6620032001Production readyGate widt

27、hSource:IntelMoores Law Continues to Power the Net200565nm200932nm200745nmTerahertz Transistor Structure 90nm199919971995微电子学概论Cha67微电子学概论Cha68微电子学概论Cha69集成电路技术是近集成电路技术是近50年来发展最快的技术年来发展最快的技术微电子技术的进步微电子技术的进步 年年份份特特征征参参数数19591970-19712000比比率率设设计计规规则则 m2580.18140电电源源电电压压VDD(伏伏）551.53硅硅片片直直径径尺尺寸寸（mm）530

28、30060集集成成度度62 1032 1093 108DRAM密密度度（bit)1K1G106微微处处理理器器时时钟钟频频率率(Hz)750K1G103平平均均晶晶体体管管价价格格$100.310-6107微电子学概论Cha70集成电路分类集成电路分类微电子学概论Cha71集成电路分类集成电路分类微电子学概论Cha72按器件结构类型分类按器件结构类型分类微电子学概论Cha73微电子学概论Cha74按集成电路规模分类按集成电路规模分类微电子学概论Cha75划分集成电路规模的标准划分集成电路规模的标准数字集成电路数字集成电路类类 别别MOS IC双极双极IC模拟集成电路模拟集成电路SSI10210

29、030MSI10210310050030100LSI1031055002000100300VLSI1051072000300ULSI107109GSI109微电子学概论Cha76 基于市场竞争，不基于市场竞争，不断提高产品的性能价格断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸倍，而加工特征尺寸缩小缩小 倍。这就是由倍。这就是由Intel公司创始人之一公司创始人之一Gordon E.Moore博士博士1

30、965年总结的规律，被年总结的规律，被称为摩尔定律。称为摩尔定律。2 2 2 22微电子技术发展的微电子技术发展的ROADMAP SSI M SI LSI VLSI ULSI GSI 元元 件件 数数 109 门门 数数 108 微电子学概论Cha77按结构形式的分类按结构形式的分类微电子学概论Cha78按电路功能分类按电路功能分类微电子学概论Cha79按 应应用领域分数字模拟字模拟混非 线线性电线性电路模 拟拟电时序逻辑电路组合逻辑电路数字电字按功能分类GSIULSIVLSILSIMSISSI按 规规模分薄膜混合集成电膜厚膜混合集成电膜混合集成电合BiCMOSBiMOS型BiMOSCMOSN

31、MOSPMOS型MOS双 极极单片集成电路按 结结构分集成电成微电子学概论Cha80微电子的特点微电子的特点微电子学概论Cha81微电子的特点微电子的特点微电子学概论Cha82结结 束束 语语微电子学概论Cha83结束语结束语5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000石器时代石器时代 35000年年铜器时代铜器时代 1800年年铁器时代铁器时代 3200年年硅器时代硅器时代XX 年？年？3000BC 1200BC 1968微电子学概论Cha84微电子学概论Cha85结束语结束语q2000年：以集成电路为基础的电子信息产业成为年：以集成电路为基础

32、的电子信息产业成为世界第一大产业世界第一大产业q硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素，但它现硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素，但它现在已经成为知识创新的载体，价值千金。这是典在已经成为知识创新的载体，价值千金。这是典型的型的“点石成金点石成金”微电子学概论Cha86结束语结束语q微电子是信息产业的核心和基础，微电子是信息产业的核心和基础，q从历史上来说：没有微电子就没有今从历史上来说：没有微电子就没有今天的信息社会天的信息社会q从目前的状况来说：没有芯片的信息从目前的状况来说：没有芯片的信息技术是没有心脏的信息技术技术是没有心脏的信息技术q硅技术至少在今后硅技术至少在今后5050年仍然会保持高年仍然会保持高速发展，目前还看不到能够替代的新速发展，目前还看不到能够替代的新技术技术微电子学概论Cha87谢谢 谢谢微电子学概论Cha88重重 点点q基本概念基本概念微电子、集成电路、集成度微电子、集成电路、集成度q微电子的战略地位微电子的战略地位对人类社会的巨大作用对人类社会的巨大作用q集成电路的几种主要分类方法集成电路的几种主要分类方法按器件类型按器件类型按规模按规模q一些英文缩写词一些英文缩写词IC、VLSI、ULSI等等